光学显微镜成像原理

光学显微镜的工作原理

显微镜是一种精密的光学仪器，已有300多年的发展史。自从有了显微镜，人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。目前，不仅有能放大千余倍的光学显微镜，而且有放大几十万倍的电子显微镜，使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。在普通中学生物教学大纲中规定的实验中，大部分要通过显微镜来完成，因此，显微镜性能的好坏是做好观察实验的关键。

一、显微镜的光学系统

显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等。

（一）、物镜

物镜是决定显微镜性能的最重要部件，安装在物镜转换器上，接近被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。

1、物镜的分类

物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜；其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜（常用放大倍数为90—100倍）。

根据放大倍数的不同可分为 低倍物镜（10倍以下）、中倍物镜（20倍左右）高倍物镜（40—65倍）。

根据像差矫正情况，分为消色差物镜（常用，能矫正光谱中两种色光的色差的物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光的色差的物镜，价格贵，使用少）。

2、物镜的主要参数： 物镜主要参数包括：放大倍数、数值孔径和工作距离。

①、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。例：放大倍数为100×，指的是长度是1μm的标本，放大后像的长度是100μm，要是以面积计算，则放大了10,000倍。

显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。

②、数值孔径也叫镜口率，简写NA 或A，是物镜和聚光器的主要参数，与显微镜的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为，油浸物镜（香柏油）的数值孔径为。

③、工作距离是指当所观察的标本最清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。物镜的工作距离与物镜的焦距有关，物镜的焦距越长，放大倍数越低，其工作距离越长。例：10倍物镜上标有10/和160/，其中10为物镜的放大倍数；为数值孔径；160为镜筒长度（单位mm）；为盖玻片的标准厚度（单位 mm）。10倍物镜有效工作距离为，40倍物镜有效工作距离为 。

显微镜物镜的成像原理

显微镜物镜是利用对象及其镜像构成的双筒望远镜，它的成像原理是将由光学环境构成的物体成像于双筒望远镜末端的显微镜环境表面，它是一种能够允许我们查看小物体的双筒望远镜。

成像原理的根本是光的反射及透射原理：当一条光线射向某一物体时，一部分将反射，另一部分可以穿透。在显微镜下，物体上反射的光线或透射的光线都会集中到一个中间焦点上，形成一个分散的、正射向物体表面的正放大图像。

现代显微镜具有四大结构：双筒眼镜，物镜，眼镜玻璃面和支柱，它们构成显微镜物镜的三个部分。双筒眼镜由一对物镜和眼镜玻璃面几何构成，它们共同构成了双筒望远镜，将物体的图像成像到更小的物镜中，从而形成真正的小型显微镜。物镜本身由椭圆形镜片构成，当光经过物镜时，它将其聚焦到显微镜末端，得到一个放大的图像，这样我们就能够看到比正常视力更清楚的宏观物象。

显微镜物镜的优点在于它可以拓宽视野，我们可以细致地观察“微观”世界。它不只用于现代科学和医学研究，而且在微观大气粒子、病毒、昆虫、花粉等检测中也起到了重要作用。作为一种可以反映出定点的结构的技术，显微镜物镜的成像原理所开创的机遇让我们深入了解这个奇妙的“宇宙”，探索出丛林中的每一处令人着迷的奥秘。

光学成像原理

光学成像原理简介

一个成像系统主要包含以下几个要素：

·视场 ：能够在显示器上看到的物体上的部分

·分辨率 ：能够最小分辨的物体上两点间的距离

·景深：成像系统能够保持聚焦清晰的最近和最远的距离之差

·工作距离：观察物体时，镜头最后一面透镜顶点到被观察物体的距离

·畸变 ：由镜头所引起的光学误差，使得像面上各点的放大倍数不同，导致变形

·视差 ：是由传统镜头引起的，在最佳聚焦点外物体上各点的变化，远心镜头可以解决

此难题。

·图像传感器尺寸 ：图像传感器（一般是 CCD 或 CMOS ）有效的工作区域，一般指

的是水平尺寸。对所希望的视场来说，这个参数对决定预先放大倍数（ PMAG ）是

很重要的。多数图像传感器的长度与宽度之比是 4:3 ，如下图所示。

·预放大倍数 ：是指视场与图像传感器尺寸的比值，这个过程是由镜头来完成的

·系统放大倍数 ：是指显示器上的图像与实际物体大小的比值，也就是整个系统的放大

倍数。它也可以写成预放大倍数与电子放大倍数的乘积，而电子放大倍数则是显示器

尺寸与图像传感器尺寸的比值。

·分辨率 ：分辨率的大小表征了对物体上细节的辨别能力，下图简单的说明了物体上的

两个方块区域成像到 CMOS/CCD相机上。可以看出，因为图像传感器上像素间的距

离已经确定，如果想要区分物体上很近的两点，它们之间必须隔开一定的距离。

与分辨率相关的术语有以下几个：

·每毫米对线（ lp/mm ） ：如上图所示，一对线是指一个红色的区域和一个空白的区

域。分辨率就是用每毫米上对线的数量来表示，因此分辨率常常被看作是空间频率。

这个频率的倒数是指最小可分辨的物体上两点间的距离，用毫米来表示。这个参数可

以用来表征镜头或者相机的分辨率。

·像素数 ：数码相机的分辨率也可以用图像传感器的像素数来表示。如图所示，一对线

第 1 页 共 9 页 显微镜的四大光学原理 显微镜操作规程

一．折射和折射率 光线在均匀的各向同性介质中，两点之间以直线传播，当通过不同密度介质的透亮物体时，则发生折射现像，这是由于光在不同介质的传播速度不同造成的。当与透亮物面不垂直的光线由空气射入透亮物体 一．折射和折射率

光线在均匀的各向同性介质中，两点之间以直线传播，当通过不同密度介质的透亮物体时，则发生折射现像，这是由于光在不同介质的传播速度不同造成的。当与透亮物面不垂直的光线由空气射入透亮物体（如玻璃）时，光线在其介面更改了方向，并和法线构成折射角。

二．透镜的性能

透镜是构成显微镜光学系统的最基本的光学元件，物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜构成。依其外形的不同，可分为凸透镜（正透镜）和凹透镜（负透镜）两大类。当一束平行于光轴的光线通过凸透镜后相交于一点，这个点称“焦点”，通过交点并垂直光轴的平面，称“焦平面”。焦点有两个，在物方空间的焦点，称“物方焦点”，该处的焦平面，称“物方焦平面”；反之，在像方空间的焦点，称“像方焦点”，该处的焦平面，称“像方焦平面”。光线通过凹透镜后，成正立虚像，而凸透镜则成正立实像。实像可在屏幕上显现出来，而虚像不能。

三．影响成像的关键因素—像差

由于客观条件，任何光学系统都不能生成理论上理想的像，各种像差的存在影响了成像质量。下面分别简要介绍各种像差。 第 2 页 共 9 页 1．色差 色差是透镜成像的一个严重缺陷，发生在多色光为光源的情况下，单色光不产生色差。白光由红 橙 黄 绿 青 蓝 紫

七种构成，各种光的波长不同 ，所以在通过透镜时的折射率也不同，这样物方一个点，在像方则可能形成一个色斑。光学系统最紧要的功能就是消色差。

色差一般有位置色差，放大率色差。位置色差使像在任何位置察看都带有色斑或晕环，使像模糊不清。而放大率色差使像带有彩色边缘。

2．球差 球差是轴上点的单色相差，是由于透镜的球形表面造成的。球差造成的结果是，一个点成像后，不在是个亮点，而是一个中心亮边缘渐渐模糊的亮斑，从而影响成像质量。